吸附罐空隙率對(duì)天然氣脫CO2性能的影響

陳樹軍，陶致成，付越，朱敏，李文亮，黃毅雄

（中國石油大學(xué)(華東)儲(chǔ)運(yùn)與建筑工程學(xué)院，山東 青島266580）

吸附罐空隙率對(duì)天然氣脫CO2性能的影響

陳樹軍，陶致成，付越，朱敏，李文亮，黃毅雄

（中國石油大學(xué)(華東)儲(chǔ)運(yùn)與建筑工程學(xué)院，山東 青島266580）

為了研究海上天然氣脫CO2時(shí)因搖擺導(dǎo)致吸附罐空隙率變化對(duì)吸附凈化效果的影響，搭建吸附實(shí)驗(yàn)臺(tái)，利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立二維吸附凈化模型，并驗(yàn)證了模型的有效性。結(jié)果表明：不流動(dòng)吸附狀態(tài)下，隨著吸附罐空隙率的增加，吸附罐出口處的甲烷摩爾分?jǐn)?shù)呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，且摩爾分?jǐn)?shù)大于99%。同時(shí)空隙率范圍在0.25～0.5之間，吸附罐內(nèi)的吸附熱隨著空隙率的增大呈現(xiàn)上升趨勢(shì)；流動(dòng)吸附時(shí)，隨著空隙率的增大，吸附罐內(nèi)壓降呈現(xiàn)下降趨勢(shì)且下降劇烈。吸附罐空隙率為0.35時(shí)，吸附凈化效果最佳。吸附罐內(nèi)沿軸線方向吸附熱呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，并且吸附罐空隙率越小，吸附熱沿軸線方向下降越劇烈。本文的研究結(jié)果有助于海上天然氣的開采，對(duì)天然氣的快速發(fā)展具有十分重要的意義。

吸附罐；空隙率；多孔介質(zhì)；吸附凈化模型；天然氣

近年來，由于石油資源的日趨緊張以及環(huán)境污染問題日益嚴(yán)重，以天然氣為代表的清潔能源越來越受到人們的青睞。海洋蘊(yùn)含著豐富的天然氣資源，約占世界天然氣總儲(chǔ)量的1/3。它的開采也被列為各國發(fā)展的重點(diǎn)。同陸上天然氣一樣，海上天然氣在開采過程中首先要進(jìn)行預(yù)處理，預(yù)處理主要清除水和CO2。由于天然氣除水工藝已相對(duì)成熟，本文主要研究對(duì)天然氣中CO2的脫除。目前，脫除CO2的方法主要有3種：吸收法、膜分離法和吸附法[1]。由于以現(xiàn)有的膜研制水平，還不能在任何情況下都滿足產(chǎn)品的處理標(biāo)準(zhǔn)，所以目前應(yīng)用更多的是吸收法和吸附法[2]。與陸上天然氣不同，海上環(huán)境復(fù)雜，工況惡劣，利用吸收法凈化天然氣會(huì)產(chǎn)生吸收塔內(nèi)吸收劑分布不均等一系列不利影 響[3]。而吸附法分離天然氣有能耗低、投資小、易于自動(dòng)化、操作簡單等優(yōu)點(diǎn)[4]，因此本文選擇吸附法來脫除天然氣中的CO2。吸附法分離海上天然氣的關(guān)鍵在吸附劑的選用和海上工況對(duì)吸附凈化效果的影響。

目前常用的氣體吸附劑包括硅膠、沸石分子篩和碳材料等。POUR等[5-6]比較了沸石和13X分子篩吸附分離CO2/CH4混合氣，結(jié)果表明13X分子篩更適合分離CO2/CH4。王志祥等[7]研究用椰殼活性炭、5A分子篩和13X分子篩作為吸附劑吸附分離CH4/CO2，結(jié)果表明13X分子篩的分離特性更佳，且用熱力脫附再生效果好。所以本文選用13X分子篩作為吸附劑對(duì)CO2/CH4混合氣進(jìn)行吸附分離。海上工況下，由于海浪、臺(tái)風(fēng)等因素導(dǎo)致吸附劑在吸附罐中產(chǎn)生不規(guī)則搖擺，這種不規(guī)則搖擺對(duì)吸附帶來最直接的影響就是吸附罐空隙率的變化。龔建英等[8]研究了吸附罐空隙率對(duì)吸附罐內(nèi)壓降的影響。陳勇等[9]研究了顆粒直徑對(duì)吸附分離N2/O2效果的影響，發(fā)現(xiàn)減小顆粒直徑有利于吸附。WON等[10]分別通過實(shí)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)方法測(cè)得吸附罐空隙率。NOUH等[11]通過穿透曲線作為唯一指標(biāo)研究了吸附罐空隙率對(duì)吸附凈化沼氣的影響。但大部分學(xué)者沒有對(duì)吸附罐空隙率對(duì)吸附凈化效果的影響做進(jìn)一步全面的研究。

基于此，本文選擇13X分子篩作為吸附劑，結(jié)合壓降、CH4分?jǐn)?shù)分布、吸附熱等評(píng)價(jià)指標(biāo)研究在流動(dòng)吸附和不流動(dòng)吸附兩種狀態(tài)下，吸附罐空隙率對(duì)海上天然氣脫除CO2的性能影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

本實(shí)驗(yàn)采用13X分子篩為吸附劑。該吸附劑由江西省萍鄉(xiāng)市鑫陶化工填料有限公司提供，粒徑1～3mm。天然氣中含有一定的水分，會(huì)降低吸附劑的吸附性能，為了排除水分對(duì)吸附過程的影響，使用前將樣品置于553K烘箱中除去分子篩中的水分，并置于干燥器內(nèi)待用。實(shí)驗(yàn)室所用氣體由青島城陽長松氣體有限公司生產(chǎn)，CH4的純度為99.999%，CO2的純度為99.999%。

1.2 吸附實(shí)驗(yàn)

天然氣吸附凈化實(shí)驗(yàn)在吸附試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行。將吸附劑置于吸附罐內(nèi)。3個(gè)熱電偶分別置于吸附罐的底部、中部和頂部，用來檢測(cè)吸脫附過程中的溫度變化，吸附罐的外側(cè)由保溫層和加熱帶環(huán)繞。實(shí)驗(yàn)開始前先在氮?dú)鈿夥障拢?23K加熱3h脫氣，脫氣后，待吸附罐降溫至吸附溫度且穩(wěn)定后，進(jìn)行CO2/CH4混合氣體吸附實(shí)驗(yàn)，完成一次吸脫附循環(huán)需要96h。吸附實(shí)驗(yàn)臺(tái)流程圖如圖1所示，吸附罐及其操作參數(shù)如表1中所示。

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

1.3 實(shí)驗(yàn)步驟

在吸附系統(tǒng)中，來自配氣系統(tǒng)中的氣樣經(jīng)過閥門V1進(jìn)入吸附管路，經(jīng)過吸附罐上部閥門V7后進(jìn)入吸附罐，吸附罐內(nèi)裝有吸附劑，天然氣中的CO2被吸附劑吸附，從吸附罐下部出來的凈化后的氣體經(jīng)過閥門V10、閥門V13和冷卻器2，通過精密減壓閥減壓到1MPa以下，經(jīng)流量計(jì)測(cè)量氣體流量，從流量計(jì)出來的氣體經(jīng)排氣管排出室外；為使吸附劑循環(huán)使用，要對(duì)吸附飽和的吸附劑進(jìn)行解吸，采用高溫N2吹掃的方式把吸附的CO2解吸出來，來自鋼瓶的N2，經(jīng)過加熱器加熱，高溫的N2經(jīng)過閥門V12后從吸附罐下部閥門V10自下而上對(duì)吸附劑進(jìn)行吹掃，從吸附罐上端閥門V7出來的氣體經(jīng)過閥門V4后，進(jìn)入冷卻器冷卻至常溫，并經(jīng)過精密減壓閥減壓到1MPa以下，最后進(jìn)入N2流量計(jì)測(cè)定流量。

1.4 吸附罐空隙率測(cè)定實(shí)驗(yàn)

對(duì)由13X球形分子篩堆積而成的多孔介質(zhì)吸附罐空隙率進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試，將13X球形分子篩裝入燒杯中，用AgO粉末測(cè)量體積后加入燒杯中，直到不能添加AgO為止。經(jīng)過多組實(shí)驗(yàn)取平均值，測(cè)得由13X球形分子篩堆積而成的多孔介質(zhì)的吸附罐空隙率為0.4。在吸附過程中，由于吸附罐不規(guī)則搖晃會(huì)導(dǎo)致床層空隙率降低，所以本文模擬時(shí)對(duì)吸附罐空隙率取值為0.25、0.3、0.35、0.4和0.5。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

2 吸附凈化模型

2.1 控制方程

2.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合

目前采用吸附模型研究吸附性能主要是對(duì)吸附等溫線進(jìn)行擬合得到具有物理意義的參數(shù)，從而研究吸附機(jī)理[16]。本文利用Langmuir模型擴(kuò)展方程[式(2)]對(duì)混合氣體中CO2和CH4的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分別擬合，擬合曲線如圖2和圖3所示，CO2的吸附等溫線在低壓區(qū)域斜率較大，隨著壓力的增大斜率逐漸減小；CH4的吸附等溫線趨于線性。Langmuir擴(kuò)展模型方程參數(shù)a、b值如表2所示，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合曲線的R2均接近于1，說明能夠利用Langmuir模型擴(kuò)展方程對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合。

圖2 混合氣體在298K下的吸附等溫線

表2 Langmuir方程參數(shù)值

2.3 吸附凈化模型

由于Fluent自帶的單相多孔介質(zhì)模型不能表現(xiàn)變壓吸附氣體與固體吸附顆粒之間的傳熱傳質(zhì)問題，采用UDF函數(shù)編程，通過C語言編譯到Fluent。首先，幾何模型如圖3所示，按照實(shí)驗(yàn)臺(tái)吸附罐的實(shí)際尺寸建立幾何模型，長度498mm，寬度（對(duì)應(yīng)吸附罐的內(nèi)徑）94mm，考慮到實(shí)驗(yàn)時(shí)吸附劑沒有完全填滿吸附罐，所以在入口端和出口端各留出10mm的空間，中間部分為多孔介質(zhì)。網(wǎng)格劃分采用四邊形結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。

邊界條件和模型初始條件見表3和表4。加壓階段把容器入口設(shè)為無滑移絕熱壁面。流動(dòng)吸附時(shí)出口設(shè)為壓力出口，壓力值基于加壓過程結(jié)束時(shí)的吸附罐內(nèi)壓力值。不流動(dòng)吸附時(shí)吸附罐入口和出口都關(guān)閉，設(shè)置為無滑移絕熱壁面。

表3 邊界條件

表4 初始條件

3 結(jié)果與分析

3.1 模型有效性驗(yàn)證

網(wǎng)格是數(shù)值模擬分析正確性的一個(gè)重要影響因素，分別在同一幾何模型上劃分四邊形網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)量分別為5232個(gè)、11772個(gè)、20928個(gè)、32700個(gè)、48000個(gè)、83800個(gè)和130800個(gè)。對(duì)不同網(wǎng)格數(shù)量的模型分別進(jìn)行了模擬，分別得出出口處甲烷摩爾分?jǐn)?shù)，如圖4，可以得出網(wǎng)格數(shù)量為48000個(gè)時(shí)出口處甲烷摩爾分?jǐn)?shù)變化趨于平緩，故本文以下都以48000個(gè)網(wǎng)格進(jìn)行模擬。

采用甲烷和二氧化碳摩爾比為97∶3的混合氣體在空隙率為0.4時(shí)進(jìn)行不流動(dòng)吸附凈化實(shí)驗(yàn)，通過轉(zhuǎn)化進(jìn)氣時(shí)甲烷摩爾分?jǐn)?shù)為92.16%，在不同壓力下吸附平衡后，通過出口處氣體取樣口采集氣體，再用氣相色譜儀分析混合氣體的組分，氣相色譜儀型號(hào)為Bruker 450-GC，采用熱導(dǎo)分析，固定相為Porapak Q，橋電流為120mA，載氣為H2，載氣流量為30mL/min，柱箱溫度為80℃，檢測(cè)室溫度為150℃。

圖3 幾何模型

圖4 網(wǎng)格獨(dú)立性測(cè)試

模擬值與實(shí)驗(yàn)值的對(duì)比結(jié)果如表5所示。從表5可以看出，出口處CH4的摩爾分?jǐn)?shù)基本上隨著壓力的增加呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，而且在6個(gè)不同壓力下模擬值與實(shí)驗(yàn)值之間的相對(duì)誤差分別為0.13%、0.02%、0.39%、0.43%、0.09%、0.04%，均小于0.5%，在誤差范圍內(nèi)。這表明了建立的吸附凈化模型的可靠性和準(zhǔn)確性，說明模型能很好地預(yù)測(cè)吸附罐內(nèi)的吸附凈化過程。

表5 模擬值與實(shí)驗(yàn)值對(duì)比

3.2 不流動(dòng)吸附時(shí)吸附罐空隙率對(duì)出口處甲烷摩爾分?jǐn)?shù)的影響

圖5是在加氣6s之后，把入口和出口都設(shè)置為無滑移絕熱壁面，以模擬不流動(dòng)吸附狀態(tài)下，床層空隙率對(duì)吸附凈化效果的影響，不流動(dòng)吸附時(shí)間為10s。結(jié)果顯示，隨著吸附罐空隙率的增加，出口處的甲烷摩爾分?jǐn)?shù)呈上升趨勢(shì)，這主要是因?yàn)槲焦蘅障堵试酱髿怏w與吸附劑顆粒的接觸面積更大，吸附更加充分。且摩爾分?jǐn)?shù)均大于99%，出口摩爾分?jǐn)?shù)比流動(dòng)吸附的效果好。吸附罐空隙率對(duì)流動(dòng)吸附和不流動(dòng)吸附的影響是不同的，因?yàn)榱鲃?dòng)吸附時(shí)，吸附罐空隙率過大，會(huì)降低吸附罐內(nèi)的黏性阻力和慣性阻力，增大氣體經(jīng)過多孔介質(zhì)區(qū)域的速度，從而減少了氣體和吸附劑的吸附時(shí)間，所以流動(dòng)吸附空隙率過大反而使得吸附效果降低。另外，圖5中顯示了隨著吸附罐空隙率的變化，吸附罐內(nèi)吸附熱的變化情況。結(jié)果顯示，空隙率在0.25～0.5范圍內(nèi)，隨著空隙率的增大，吸附過程中放出的吸附熱呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，這主要是因?yàn)榭障堵实脑龃螅黾恿藲怏w與吸附劑的接觸面積，使得吸附更加充分，和CO2出口摩爾分?jǐn)?shù)結(jié)果對(duì)應(yīng)。

圖5 吸附罐空隙率對(duì)不流動(dòng)吸附的影響

3.3 吸附罐空隙率對(duì)流動(dòng)吸附的影響

不流動(dòng)吸附雖然吸附凈化效果較好，但是實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用當(dāng)中效率較低，每吸附一次需要耗費(fèi)大量的時(shí)間。所以對(duì)流動(dòng)吸附的研究很有必要。在流動(dòng)吸附時(shí)，吸附罐內(nèi)壓降是影響吸附凈化過程的一個(gè)重要的因素，在變壓吸附中，吸附量同壓力成正比。吸附罐內(nèi)壓降與吸附劑顆粒直徑、氣體流速、吸附罐長度、床層空隙率等因素有關(guān)，在吸附劑顆粒直徑為1.6mm，氣體質(zhì)量流率為0.05kg/s，吸附罐長度不變，如圖6(a)表示吸附罐空隙率為0.25～0.5時(shí)，吸附罐內(nèi)的壓降情況。由圖6(a)可以發(fā)現(xiàn)，在相同入口條件和相同的吸附罐模型中，隨著空隙率的增加，吸附罐內(nèi)壓降趨于下降趨勢(shì)且下降劇烈。這主要是因?yàn)榭障堵实脑黾訉?dǎo)致了吸附罐內(nèi)的黏性阻力和慣性阻力的降低。有部分學(xué)者認(rèn)為從節(jié)能角度上吸附罐內(nèi)壓降值對(duì)吸附凈化會(huì)產(chǎn)生不利影響，但近期的研究結(jié)果研究表明，適當(dāng)?shù)膲航抵涤欣谖焦迌?nèi)的氣體濃度分布，有利于吸附[17]。

圖6(b)表示床層空隙率為0.25～0.5時(shí)，在流動(dòng)吸附結(jié)束后，吸附罐內(nèi)的甲烷摩爾分?jǐn)?shù)變化情況。從圖中可以看出，甲烷摩爾分?jǐn)?shù)沿軸線方向逐漸增大，且變化逐漸趨緩。經(jīng)過比選發(fā)現(xiàn)空隙率為0.35時(shí)，吸附罐內(nèi)各點(diǎn)的甲烷摩爾分?jǐn)?shù)均最高，得出結(jié)論吸附罐在吸附劑粒徑為1.6mm的情況下，空隙率為0.35時(shí)流動(dòng)吸附的效果最佳。這主要是因?yàn)榭障堵蔬^小會(huì)導(dǎo)致氣體與吸附劑的接觸面積降低，從而吸附效果降低。但空隙率過大則會(huì)使得多孔介質(zhì)內(nèi)黏性阻力和慣性阻力降低，罐內(nèi)氣體流速增加，氣體通過相同距離時(shí)產(chǎn)生的阻力越小，減少了氣體與吸附劑接觸的時(shí)間，同樣吸附效果不理想。

圖6 吸附罐空隙率對(duì)流動(dòng)吸附的影響

圖6(c)在不同空隙率下的流動(dòng)吸附結(jié)束時(shí)，吸附罐內(nèi)沿軸線方向吸附時(shí)放出的熱量的變化。結(jié)果顯示，沿軸線方向放熱呈下降趨勢(shì)，且下降隨著軸向長度的增加有加速趨勢(shì)，這與實(shí)驗(yàn)時(shí)吸附罐靠近氣體入口溫度高于靠近出口溫度相符。這主要是因?yàn)榛旌蠚怏w流經(jīng)多孔介質(zhì)區(qū)域時(shí)，先與靠近入口處的吸附劑發(fā)生吸附，前半部混合氣體的二氧化碳濃度高于后半部分。另外，隨著空隙率的增加，放出的吸附熱越多。且空隙率越小，吸附熱沿軸線方向下降得越劇烈，這是由于空隙率越小，吸附罐內(nèi)的黏性阻力和慣性阻力就越大，流速越低，導(dǎo)致吸附在吸附罐前半部分更加充分，所以吸附熱集中在吸附罐前半部分更明顯。

4 結(jié)論

（1）對(duì)不流動(dòng)吸附不同壓力下的床層出口端甲烷摩爾分?jǐn)?shù)的模擬值和實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行了比較，結(jié)果顯示計(jì)算值和實(shí)驗(yàn)值的誤差小于0.5%，驗(yàn)證了吸附凈化模型的可靠性和準(zhǔn)確性。

（2）不流動(dòng)吸附狀態(tài)下，隨著吸附罐空隙率的增加，吸附罐出口處的甲烷摩爾分?jǐn)?shù)呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，且摩爾分?jǐn)?shù)大于99%。同時(shí)空隙率在0.25～0.5范圍內(nèi)，吸附罐內(nèi)的吸附熱隨著空隙率的增大呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。

（3）流動(dòng)吸附時(shí)，隨著空隙率的增大，吸附罐內(nèi)壓降呈現(xiàn)下降趨勢(shì)且下降劇烈。在吸附劑顆粒直徑為1.6mm，空隙率為0.35時(shí)，吸附凈化效果最佳，空隙率過大或者過小吸附效果都降低。吸附罐內(nèi)沿軸線方向吸附熱呈現(xiàn)下降趨勢(shì)且吸附罐空隙率越小，且吸附熱沿軸線方向下降越劇烈。

符號(hào)說明

cp——?dú)庀喽▔罕葻崛?，J/(kg·K)

cs——固相比熱容，J/(kg·K)

Di,m——組分i在混合氣體中的擴(kuò)散系數(shù)，m2/s

Di,j——組分i在組分j中的擴(kuò)散系數(shù)，m2/s

dp——吸附劑顆粒直徑，m

hf——?dú)夤虄上鄠鳠嵯禂?shù)，W/(m2·K)

Kf——?dú)庀噍S向傳熱系數(shù)，W/m·K

ki——組分i的傳質(zhì)系數(shù)，s–1

ks——固相熱導(dǎo)率，W/(m·K)

Mi——組分i的摩爾質(zhì)量，kg/mol

Mw——混合氣體摩爾質(zhì)量，kg/mol

Pop——操作壓力，Pa

Pc——臨界壓力，Pa

qi——組分i的吸附量，mol/kg

Si——組分i質(zhì)量源項(xiàng)，kg/(m3·s)

Tc——臨界溫度，K

Tf——?dú)庀鄿囟?，K

Ts——固相溫度，K

V——?dú)怏w流速，m/s

Yi——組分i摩爾分?jǐn)?shù)

ε——吸附罐空隙率

ρf——?dú)怏w密度，kg/m3

ρs——吸附劑顆粒密度，kg/m3

μf——?dú)怏w動(dòng)力黏度，N·s/m2

ΔHi——組分i的吸附熱，kJ/mol

[1] 程意茹，張磊，蒲人娟，等. 低溫CO2固體吸附劑的研究進(jìn)展[J].石油化工高等學(xué)校學(xué)報(bào)，2015，28（4）：96-99. CHENG Y R，ZHANG L，PU R J，et al. Research progress of low temperature carbon dioxide solid adsorbent[J]. Journal of Petrochemical Universities，2015，28（4）：96-99.

[2] LI Q Y,，JU Y L. Design and analysis of liquefaction process for offshore associated gas resources[J]. Applied Thermal Engineering，2010，30（16）：2518-2525.

[3] 李秋英. 浮式油田伴生氣的凈化與液化工藝流程研究分析[D]. 上海：上海交通大學(xué)，2012. LI Q Y. Investigation and analysis on purification and liquefaction processes for offshore associated natural gases[D]. Shanghai：Shanghai Jiao Tong University，2012.

[4] 王駿成，胡明振，孫林兵，等. 碳分子篩變壓吸附提純沼氣的性能[J]. 化工進(jìn)展，2015，34（9）：3452-3456. WANG J C，HU M Z，SUN L B，et al. Biogas purification using carbon molecular sieves by pressure swing adsorption[J]. Chemical Industry and Engineering Progress，2015，34（9）：3452-3456.

[5] POUR A A，SHARIFNIA S. Performance evaluation of clinoptilolite and 13X zeolites in CO2separation from CO2/CH4mixture[J]. Journal of Natural Gas Science and Engineering，2015，26：1246-1253.

[6] 陸江園，劉偉，孫林兵，等. CH4/CO2混合組分13X分子篩上的吸附平衡及分離性能[J]. 高?；瘜W(xué)工程學(xué)報(bào)，2013，27（1）：1-6. LU J Y，LIU W，SUN L B，et al. Adsorption equilibrium and separation of methane and carbon dioxide mixtures on 13X molecular sieve[J]. Journal of Chemical Engineering of Chinese Universities，2013，27（1）：1-6.

[7] 王志祥，易紅宏，唐曉龍，等. 不同吸附劑在沼氣脫碳提純中的分離性能[J]. 中南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2015，46（9）：3536-3539. WANG Z X，YI H H，TANG X L，et al. Adsorption separation performance of different adsorbents for biogas decarbonization upgrading[J]. Journal of Central South University（Science and Technology），2015，46（9）：3536-3539.

[8] 龔建英，張玉文. PSA空氣分離吸附過程中的壓降特性研究[J]. 低溫工程，2002，4：21-23. GONG J Y，ZHANG Y W. The study of pressure drop in the adsorption process of air separation by using PSA method[J]. Cryogenics，2002，4：21-23.

[9] 陳勇，由宏新. 顆粒直徑對(duì)吸附分離影響的數(shù)值模擬[J]. 化工進(jìn)展，2013，32（3）：521-526. CHEN Y，YOU H X. Numerical simulation of the particle diameter on adsorption and separation[J]. Chemical Industry and Engineering Progress，2013，32（3）：521-526.

[10] WON W Y，LEE S，LEE K S. Modeling and parameter estimation for a fixed-bed adsorption process for CO2capture using zeolite 13X[J]. Separation and Purification Technology，2012，85：120-129.

[11] NOUH S A，LAU K K，SHARIFF A M. Modeling and simulation of fix bed adsorption column using integrated CFD approach[J]. Journal of Applied Sciences，2010，10（24）：3229-3235.

[12] GLUEKAUF E. Theory of chromatography part 10—formulae for diffusion into spheres and their application to chromatography[J]. Transactions of the Faraday Society，1955，51：1540-1551.

[13] REGE S U, YANG R T. Limits for air separation by adsorption with LiX zeolite[J]. Industrial & Engineering Chemistry Research，1997，36（12）：5358-5365.

[14] DANTAS T L P，LUNA F M T，JR SILVA I J，et al. Carbon dioxide-nitrogen separation through pressure swing adsorption[J]. Chemical Engineering Journal，2011，172（2/3）：698-704.

[15] 熊健，劉向君，梁利喜，等．頁巖氣超臨界吸附的Dubibin-Astakhov改進(jìn)模型[J]．石油學(xué)報(bào)，2015，36（7）：849-857. XIONG J，LIU X J，LIANG L X，et al. Improved Dubibin-Astakhov model for shale-gas supercritical adsorption[J]. Acta Petrolei Sinica，2015，36（7）：849-857.

[16] ZHENG X，LIU Y，LIU W. Two-dimensional modeling of the transport phenomena in the adsorber during pressure swing adsorption process[J]. Industrial & Engineering Chemistry Research，2010，49（22）：11814-11824.

Effect of adsorption column porosity on removing CO2from natural gas

CHEN Shujun，TAO Zhicheng，F(xiàn)U Yue，ZHU Min，LI Wenliang，HUANG Yixiong
（College of Pipeline and Civil Engineering,，China University of Petroleum（East China），Qingdao 266580，Shandong，China）

The porosity of adsorption column was changed due to the swing motion of the boat for the offshore natural gas production. To study the effect of adsorption column porosity on adsorption purification, an adsorption experimental apparatus was built. A two-dimensional adsorption purification model was established based on the experiment data, and the validity of the model was confirmed. Result shows that the mass fraction of CH4at the exit of adsorption column rose to more than 0.99 mole fraction with the increase of adsorption column porosity at the static state. The adsorption heat in the adsorption column rose with the increase of adsorption column porosity. In the case of flowing adsorption, the pressure drop in the adsorption column decreased dramatically with the increase of adsorption column porosity. The best adsorption purification achieved when the adsorption column porosity was 0.35. Along the axis direction of the adsorption column, adsorption heat showed a downward trend, and decreased rapidly with the decrease of the adsorption column porosity. This study will help improve the production efficiency of offshore natural gas, and have a significant effect on the rapid development of natural gas.

adsorption column；porosity；porous media；adsorption purification model；natural gas

TE 53

：A

：1000–6613（2017）02–0435–07

10.16085/j.issn.1000-6613.2017.02.005

2016-06-14；修改稿日期：2016-07-19。

國家自然科學(xué)基金（51306210，51304233）和大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃（20141168）項(xiàng)目。

及聯(lián)系人：陳樹軍（1978—），男，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事氣體吸附和天然氣開采方向的教學(xué)和科研工作。E-mail：shujunchenfu@126.com。